Een bootstrap-methode voor het oplossen van problemen met hoge analoge spanningen

Veel geautomatiseerde testapparatuur of precisiebesturingssystemen vereisen een analoge spanning van enkele honderden volts. Het leveren van een dergelijke spanning vormt echter een unieke uitdaging. Conventionele operationele versterkers (opamps) zijn niet geschikt voor een hoge spanningszwaai bij de uitgang, terwijl alternatieve discrete versterkers een hoge mate van tweaken vereisen en meer ruimte op de printplaat innemen.

Er is echter een andere optie: bootstrappen van de combinatie van een opamp met een hoge rail-to-rail uitgangsspanning en een tweetal FET's die bestand zijn tegen hoge doorslagspanningen.

In dit artikel worden de problemen besproken van hoge analoge spanningen evenals veelgebruikte methodes om deze op te lossen. Ook laten we zien hoe bootstrapping kan worden gebruikt met behulp van een precisieversterker voor hoge spanningen van Analog Devices samen met MOSFET's voor hoge spanningen vanMicrochip Technology en Infineon Technologies.

Deze componenten worden gebruikt om een nauwkeurige, hoogwaardige oplossing te creëren die tweemaal het nominale signaalbereik van de versterker levert, terwijl ze tegelijkertijd hogere prestaties leveren met minimale printruimte.

Ontwerpmogelijkheden voor hoge analoge spanningen

Sommige toepassingen vereisen een spanningszwaai aan de uitgang die hoger is dan de typische spanning die door monolithische opamps wordt gegenereerd. Een versterkerontwerp met behulp van discrete transistors is één manier om een hoge spanningszwaai te bereiken. Deze aanpak biedt de flexibiliteit om de versterker aan te passen aan de specifieke toepassing. Discrete transistorontwerpen gebruiken echter meer onderdelen en zijn omslachtig en tijdrovend voor de ontwerper. Ook valt het niet mee om nauwkeurigheid te bereiken in discrete ontwerpen vanwege device matching en temperatuurgradiënten.

Een alternatief voor de discrete versterker is de opampmodule voor hoge spanningen. Deze modules maken de taken van de ontwerper aanzienlijk eenvoudiger. Een module voor hoge spanningen is vaak een hybride module die werkt bij zowel hoge spanningen als hoog vermogen. Het voordeel van deze modules ten opzichte van discrete ontwerpen is dat deze modules prestaties leveren volgens fabrieksspecificaties. Hoewel deze specificaties het werk voor de ontwerper vereenvoudigen, zijn hybride modules duur. Monolithische opamps voor hoge spanningen voldoen voor het grootste deel aan de prestatie-eisen van een ontwerp.

In gevallen waar dit niet zo is, maakt bootstrappen van de voeding van de monolithische opamp tal van oplossingen mogelijk, door de voeding van de monolithische versterker tot buiten zijn werkgebied te gebruiken. Hoewel bootstrappen meer werk is, is de oplossing aanzienlijk goedkoper vergeleken met de modules voor hoge spanning. Dit is voor een groot deel te danken aan het feit dat er verschillende monolithische opamps zijn die volgens de fabrieksspecificaties presteren. Let wel dat bootstrappen geen invloed heeft op de DC-specificaties van de versterker, zoals spanningsoffset en ingangs- en uitgangsspanningszwaai.

Bootstraptechnieken voor voedingen

De bootstrapconfiguratie regelt de voedingsspanning van een component in relatie tot de uitgangsspanning. Het bootstrapcircuit bevat een tweetal discrete transistors en een resistief biasnetwerk (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een vereenvoudigd bootstrapschema voor hogespanningsvolgers met vaste +V_S en -V_S systeemvoedingsspanningen. De voedingsspanningen V_CC en V_EE van het component veranderen als functie van de uitgangsspanning V_OUT. (Bron afbeelding: Bonnie Baker, op basis van materiaal van Analog Devices)

Veel versterkers voor hoge spanningen elimineren de behoefte aan een bootstrapvoeding. Zo is de 10 megahertz (MHz) ADHV4702-1BCPZ van Analog Devices in Afbeelding 1 een ±110 volt voeding en goed genoeg voor de meeste toepassingen. Als het systeem echter een hogere spanning vereist, kan bootstrappen het werkbereik van dit circuit verdubbelen.

Hiervoor wordt de IRFP4868PBF N-channel MOSFET van Infineon Technologies gebruikt als Q₁. Dit component heeft een doorslagspanning van 300 volt en een I_D max van 70 A. Voor Q₂ gebruiken we de TP2435N8-G P-kanaal MOSFET van Microchip Technology. Deze heeft een doorslagspanning van 350 volt.

De ADHV4702-1-precisieversterker in afbeelding 1 heeft een voedingsspanningsbereik in bedrijf van ±12 volt tot ±110 volt. Het typische uitgangsspanningsbereik bij een voedingsspanning van ±110 volt is ±108,5 volt. Omdat ±V_S gelijk is aan ±300 volt, vormt dit bootstrapcircuit een basis voor een versterker die een spanningszwaai van ±120 volt of meer aan de uitgang kan bereiken.

Dit bootstrapconcept, ook wel ‘flying rails’ genoemd, past de voedingsspanningen van de versterker continu aan, zodat deze symmetrisch zijn rond de uitgangsspanning V_OUT van de versterker. Hierdoor blijft de uitgang binnen het voedingsspanningsbereik. In het bootstrap-volgercircuit houden de weerstandsspanningsdelers (R_BOT en R_TOP) het verschil tussen V_CC en V_EE constant op ±90 volt terwijl het uitgangsbereik van de versterker ±200 volt is. Een Spice-simulatie illustreert dit fenomeen van een zwevende voeding (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Een Spice-simulatie illustreert het fenomeen van een zwevende voeding waarbij de differentiële ingangsspanning van de versterker (het verschil tussen V_CC en V_EE) ongeveer ±90 volt blijft, terwijl het uitgangsbereik van de versterker ±200 volt is. (Bron afbeelding: Bonnie Baker)

In afbeelding 2 is V_OUT gelijk aan V_IN, R_TOP gelijk aan 45 kilo-ohm (kΩ) en R_BOT gelijk aan 20 kΩ. R_TOP is de weerstand het dichtst bij de externe voedingen (+V_S en -V_S) en R_BOT is de weerstand die zich het dichtst bij de uitgang (V_OUT) van de opamp bevindt. Merk op dat in afbeelding 2 spanningen V_CC en V_EE de spanning +V_S (300 volt) en -V_S (-300 volt) benaderen. Circuitvervorming treedt op wanneer het uitgangssignaal (V_OUT) de spanning V_CC of V_EE opdrijft tot +V_S of -V_S of hoger.

Met behulp van bootstrappen kan elke opamp een hoog signaalvermogen leveren. De variatiesnelheid van de versterker heeft echter invloed op de dynamische prestaties van deze hogespanningsconfiguratie. In afbeelding 1 wordt het vermogen van de V_CC- en V_EE-respons op een dynamisch signaal beperkt door de variatiesnelheid van de opamp. Bootstrappen van versterkers werkt het best voor laagfrequentie- en gelijkspanningstoepassingen waarbij de voedingsspanning maar langzaam verandert.

Implementatie van het bootstrap-ontwerp

Het bootstrap-ontwerp van de opamp-voeding omvat drie stappen:

1. Beoordeel de trade-off tussen de versterker- en MOSFET-vermogensdissipatie
2. Bepaal de maximale spanningszwaai aan de uitgang van de versterker en wijs de voedingsspanning van de versterker toe
3. Houd rekening met stroomvereisten van de weerstanden

In het schema van afbeelding 1 wordt de vermogensdissipatie verdeeld tussen de opamp en de MOSFET-drain-source. De versterker en FET hebben een voedingsspanning binnen een gespecificeerd werkbereik. Het is verleidelijk om de versterker met een lagere spanning te voeden, maar dit kan de MOSFET benadelen. De totale vermogensdissipatie wordt verdeeld tussen de versterker en de MOSFET.

De relatie tussen de maximale opamp-uitgangsspanning (±V_OUT-MAX) en de opamp-ingangsspanningen (V_EE, V_CC) wordt bepaald door de spanningsdeler, volgens vergelijking 1.

 Vergelijking 1a

Als de nominale voedingsspanning van de opamp gelijk is aan ±100 volt en het maximale uitgangsbereik is gelijk aan ±150 volt, dan is de verhouding van de spanningsdeler gelijk aan:

 Vergelijking 1b

Dit is een handige manier om de waarde van de weerstanden in deze toepassing te bepalen. Bij het selecteren van de weerstanden is het echter belangrijk om rekening te houden met het feit dat er hoge spanningen bij betrokken zijn en dat de weerstanden mogelijk veel vermogen moeten dissiperen. Kies de weerstandswaarden dus zodanig dat warmteafvoer binnen hun respectieve nominale waarden wordt beperkt.

R_TOP bereikt bijvoorbeeld 150 volt en R_BOT 100 volt. Als de weerstanden een vermogen hebben van ½ watt, kan de limiet voor vermogensdissipatie (V²/R) worden berekend met behulp van vergelijking 2:

 Vergelijking 2a

 Vergelijking 2b

Nemen we de weerstand van 45 kΩ als beperkende factor voor de vermogensdissipatie is, dan leidt de R_BOT-waarde tot een spanningsdeler van 2,5:1 en wordt de vermogensdissipatie voor de ruststroom als volgt berekend:

FET-selectie

De keuze van MOSFET hangt voornamelijk af van de doorslagspanning. Deze spanning moet namelijk bestand zijn tegen de meest ongunstige omstandigheden. De doorslagspanning wordt bereikt wanneer de uitgang verzadigd is, wat gebeurt als de ene MOSFET de maximale V_DS en de andere MOSFET de minimale V_DS heeft. Zo is de hoogste absolute V_DS bijvoorbeeld ~300 volt, wat gelijk is aan de V_OUT-MAX (500 volt) min de totale voedingsspanning van de versterker (V_CC – V_EE = 200 volt). De doorslagspanning voor de MOSFET’s moet dus ten minste 300 volt zijn. Bovendien wordt de vermogensdissipatie berekend met de maximale waarden voor zowel V_DS als de bedrijfsstroom. Ontwerpers moeten ervoor zorgen dat de MOSFET's geschikt zijn om op dit vermogensniveau te werken.

De gate-capaciteit van de MOSFET creëert een laagdoorlaatfilter met de voorspanningsweerstanden en MOSFET's met een hogere doorslag hebben doorgaans een hoger gate-capaciteit. In dit circuit zijn voorspanningsweerstanden veelal tientallen tot honderden kΩ. Met deze hoge waarden is er niet veel gate-capaciteit nodig om het circuit te vertragen.

Vergelijking 3 laat zien hoe de MOSFET gate-capaciteit in het gegevensblad (C_GATE) en de parallelweerstanden R_TOP en R_BOT de poolfrequentie voor een laagdoorlaatfilter bepalen:

 Vergelijking 3

Voorzorgsmaatregelen

De frequentierespons van het biasnetwerk moet tien keer zo snel blijven dan de ingangs- en uitgangssignalen. Als het biasnetwerk de schakeling vertraagt, kan de uitgang van de versterker de voeding uitbreiden. De ingang riskeert ook schade door tijdelijke afwijkingen buiten de voedingsrails van de versterker, terwijl de uitgang het risico loopt op vervorming als gevolg van tijdelijke verzadiging of variatiebeperking. Deze omstandigheden kunnen leiden tot een verlies van negatieve feedback, onvoorspelbaar transiëntgedrag en mogelijk een vertraging als gevolg van faseomkering.

Prestaties

De versterker in het bootstrapcircuit kan worden geconfigureerd voor een hogere niet-inverterende versterking. Deze bootstrap-opampconfiguratie werkt op dezelfde manier als die van andere opampversterkingsfasen. Gebruik van een niet-inverterende configuratie is vereist. Met een DC-lineariteitsmeting domineren de karakteristieken van de versterker de resultaten (Afbeelding 3). De versterker is geconfigureerd met een versterkingsfactor van 20 bij een voedingsbereik van ±140 volt.

Afbeelding 3: De versterkingsfout als functie van de ingangsspanning met een versterkingsfactor van 20 en een voedingsspanning van ±140 volt. (Bron afbeelding: Analog Devices)

De uitgang van de opamp heeft een eindige variatiesnelheid, waarbij de voedingsspanning een functie is van de uitgang. Bij de ingang van de opamp kan een stapfunctie het voedingsbereik van de opamp overschrijden (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Variatiesnelheid met een versterkingsfactor van 20 en een voedingsbereik van ±140 volt. Bij de ingang van de opamp kan een stapfunctie het voedingsbereik van de opamp overschrijden en een vergrendelde toestand veroorzaken. Dit kan worden voorkomen door een laagdoorlaatfilter op het ingangsknooppunt te plaatsen. (Bron afbeelding: Analog Devices)

In afbeelding 4 is de gespecificeerde variatiesnelheid van de ADHV4702-1 gelijk aan 74 volt per microseconde (volt/µs). Om de vergrendelde toestand te voorkomen, moeten ontwerpers een laagdoorlaatfilter op het signaalingangsknooppunt (V_IN) toepassen. Dit variatielimietcircuit verlaagt de transiënten tot minder dan of gelijk aan de variatiesnelheid van de opamp, berekend met vergelijking 4:

Vergelijking 4

Hier is V_STEP de maximale stapgrootte van de signaalbronnen en SR de variatiesnelheid van de opamp.

Conclusie

Een uitstekende manier om hoge analoge spanningen tegen een lage prijs en met minimale afmetingen aan te sturen, is bootstrappen van een combinatie van een rail-to-rail opamp voor hoge spanningen en een tweetal transistors die hoge doorslagspanningen kunnen weerstaan. De ADHV4702-1-precisieversterker van Analog Devices plus MOSFET's van Infineon en Microchip kunnen worden gebruikt om een dergelijke nauwkeurige, hoogwaardige oplossing te creëren die tweemaal het nominale signaalbereik van de versterker levert en tegelijkertijd hogere prestaties blijft bieden.